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domingo, octubre 17, 2021
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¿Podría el mal comportamiento de los muones cambiar las leyes de la física conocidas?

El magnetismo inesperado de una partícula diminuta está sacudiendo lo que los físicos creían saber sobre el universo.

El campo de la física de partículas tiene una estrella nueva e improbable: el muon, que a veces se denomina electrón gordo. Por segunda vez, este modesto residente del mundo subatómico parece burlar las leyes conocidas de la naturaleza. Para algunos expertos, eso sugiere que podría revelar reglas completamente desconocidas.

Los muones llamaron la atención de los físicos de todo el mundo después de que un experimento en el Fermi National Accelerator Laboratory, o Fermilab, en Illinois, demostrara que son mucho más magnéticos de lo esperado. Los resultados , publicados en abril por la colaboración Muon g-2 (pronunciado «g menos dos»), van en contra de las predicciones de la teoría de la física de partículas superior disponible. Eso deja tres posibilidades: la teoría en sí es incorrecta, el experimento fue defectuoso o, lo que es más tentador, también podría significar que estamos cerca de descubrir nuevas formas de materia y energía que son esenciales para el ordenamiento del cosmos pero que han desaparecido. sin ser detectado.

Muchos científicos están adoptando esta última explicación. Si están en lo cierto, esto representa el primer desafío creíble al Modelo Estándar de física de partículas, que ha dominado durante medio siglo como la mejor descripción de los bloques de construcción básicos del universo y cómo interactúan. Dondequiera que haya hecho una predicción, ha demostrado ser cierta, hasta ahora.

Marcela Carena, directora de física teórica del Fermilab, cree que estos resultados podrían resultar más significativos incluso que el descubrimiento histórico de 2012 del bosón de Higgs , que imbuye masa a todas las demás partículas. «Esto realmente puede sacudir la forma en que pensamos sobre todo lo que sabemos en este momento sobre la física de partículas», dice. «Es un gran descubrimiento, y es un gran descubrimiento que no esperábamos».

Un momento mágico y magnético


La posibilidad de fenómenos muónicos inexplicables surgió por primera vez en 2001, cuando experimentos similares en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York encontraron algo mal: cuando se disparó a través de un campo magnético en un acelerador de 50 pies de diámetro, la pequeña partícula no actuó como se esperaba. En términos técnicos, su «momento magnético», una propiedad que esencialmente hace que los muones giren o se tambaleen, como barras magnéticas, fue sorprendentemente grande. Se tambaleó más de lo que nadie había previsto.

El momento magnético se ve afectado por una colección de partículas virtuales que aparecen y desaparecen continuamente. Chris Polly, otro físico del Fermilab, explica en una publicación de blog que ninguna partícula está realmente sola. Incluso en el vacío, está rodeado por un «séquito» de estas partículas virtuales, cada una de las cuales determina parcialmente su comportamiento. Los cálculos del momento magnético del muón, denominado «g-2» (de ahí el nombre de la colaboración), explican minuciosamente estas influencias externas.

Sin embargo, existe una discrepancia significativa entre los valores medidos y predichos. Si las partículas virtuales conocidas no pueden explicar suficientemente esa brecha, asumiendo que las mediciones son precisas, los investigadores deducen que alguna otra partícula no identificada debe compensar la diferencia.

Lee Roberts, físico de la Universidad de Boston, trabajó en los experimentos de Brookhaven y Fermilab. «Eso fue un gran problema», dice sobre la revelación hace dos décadas, «porque todo el mundo estaba buscando desesperadamente la física más allá del Modelo Estándar». Después de que el programa perdió fondos, ese punto de datos permaneció solo y anómalo durante dos décadas. Ahora, dice Roberts, “confirmamos el experimento de Brookhaven. Los dos resultados son perfectamente consistentes «.

Más allá del modelo estándar


Por emocionante que pueda ser, el nuevo experimento presenta un rompecabezas sin ningún indicio de solución. «Sabemos que debe haber algo nuevo», dice Carena, «pero no sabemos qué es». Los teóricos han desarrollado una constelación de explicaciones y ninguna se destaca en particular.

Dada la opción, la teoría preferida de Carena es la supersimetría , una extensión popular del Modelo Estándar. Postula que cada partícula conocida posee un socio desconocido. Esas contrapartes sigilosas podrían ser las partículas virtuales que contribuyen al momento magnético del muón, así como los ingredientes de la materia oscura que se cree que representan aproximadamente el 27 por ciento del universo, resolviendo dos misterios con un eureka.

Sin embargo, reconoce que esto es una ilusión: «Creo que sería mucho más elegante si obtuviéramos algunas pistas de este experimento sobre otras cosas en el universo, pero es posible que la naturaleza no funcione de esa manera». Otras partículas hipotéticas, principalmente leptoquarks y bosones Z ‘, podrían llenar el vacío con la misma facilidad, sin ampliar aún más nuestra comprensión de la realidad. Sin embargo, si existen, el Gran Colisionador de Hadrones debería eventualmente detectarlos.

La pregunta es muy compleja, en parte porque los científicos no saben dónde buscar la respuesta. El experimento de Fermilab ofrece solo evidencia indirecta, insinuando nuevas leyes de la física a través del muón. Con todo, no identifica claramente a ningún sospechoso en particular. «Para distinguir cuál de ellos es el correcto», dice Carena, «tendremos que buscar en otro lado».

Esperando una aclaración


En cuanto a por qué los muones se están portando mal, es demasiado pronto para sacar conclusiones definitivas. También es, quizás, bastante pronto para decir con seguridad que lo están haciendo en primer lugar. Hasta ahora, los miembros de Muon g-2 han publicado solo alrededor del 5 por ciento de sus datos. Dado lo meticulosamente que analizaron el primer conjunto, Roberts es optimista de que el resto reforzará la misma conclusión a medida que se publique en los próximos años. Pero por ahora, la escasa evidencia no justifica la actualización del Modelo Estándar.

Algunos físicos han dudado en aceptar una revisión de posiblemente la teoría científica más exitosa de todos los tiempos. En otro estudio publicado en Nature el mismo día, Zoltan Fodor de la Universidad Estatal de Pensilvania y sus colegas volvieron a calcular g-2 para verificar si había errores en el trabajo teórico de las últimas dos décadas. Sus matemáticas arrojaron un nuevo valor teórico que difiere del que los físicos generalmente han acordado, pero coincide con los resultados experimentales de Brookhaven y Fermilab.

Esto sugiere que, después de todo, el modelo estándar puede encajar con los experimentos. «Si bien puede haber sido emocionante descubrir indicios de nueva física», escribe Fodor , «nuestra nueva teoría parece decir que esta vez, el modelo estándar se mantiene».

Como ocurre con cualquier descubrimiento científico, el tiempo y las investigaciones futuras lo dirán. Por ahora, una cosa es segura: el modelo estándar permanece incompleto. No dice nada sobre la materia oscura y la energía oscura, ni por qué nuestro universo está compuesto de materia en lugar de antimateria. Pero es posible que los físicos hayan tropezado recientemente con una pista, y para muchos eso en sí mismo merece celebración. «Encontrar algo fuera de ese modelo estándar es una especie de objetivo de toda la física de partículas», dice Roberts. «Hay todas estas preguntas fundamentales muy profundas, por lo que cualquier idea de eso es muy emocionante».